IP 網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究

余 輝

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，湖北武漢430205)

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣化以及應(yīng)用的普及，使得提供互聯(lián)網(wǎng)支撐服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)運營商必須考慮如何能為用戶提供最好的服務(wù)，以在市場競爭中取得先導(dǎo)地位。其中，如何打造出智能化管道，基于網(wǎng)絡(luò)流量特征來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的通信性能已成為當(dāng)前IP承載網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容。

1 IP 網(wǎng)絡(luò)的性能問題

IP 網(wǎng)絡(luò)的性能問題可以轉(zhuǎn)化為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用對IP 網(wǎng)絡(luò)提出服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求問題。這要求IP 網(wǎng)絡(luò)的管理人員可以對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的性能指標(biāo)進(jìn)行提取，并根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和業(yè)務(wù)流量特征，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，為業(yè)務(wù)提供滿足服務(wù)質(zhì)量要求的網(wǎng)絡(luò)支撐服務(wù)。

2 IP 網(wǎng)絡(luò)性能的測定

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能定義

IP 網(wǎng)絡(luò)性能是指一系列對于運營商有意義的、可用于系統(tǒng)設(shè)計、配置、操作和維護的參數(shù)進(jìn)行測量所得到的結(jié)果［1］。網(wǎng)絡(luò)性能可以用一系列的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來度量和描述，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)本身的特性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)性能測定過程中注意事項

確保樣本空間足夠大;一定要確保樣本具有代表性;對于粗粒度時鐘使用的時候一定要小心;對于不可預(yù)知的事情，盡量確保在進(jìn)行測試的時候避免發(fā)生;深知干擾測量結(jié)果的還有緩存機制;注意對結(jié)果的外推等等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)性能測定的若干參數(shù)

在IP 承載網(wǎng)絡(luò)中，需要測定的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)有如下這些:

1)IP 網(wǎng)絡(luò)的連接性:也稱可用性、連通性或可達(dá)性，是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩?

2)IP 網(wǎng)絡(luò)延遲:是IP 包穿越1 個或多個網(wǎng)段所經(jīng)歷的時間;

3)IP 網(wǎng)絡(luò)丟包率:是指傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時被丟棄的概率。目前主要用貝努利、馬爾可夫和隱馬爾可夫等模型來評估網(wǎng)絡(luò)丟包率［1］;

4)IP 網(wǎng)絡(luò)帶寬:包括瓶頸帶寬和可用帶寬，其中瓶頸帶寬是指網(wǎng)絡(luò)能提供最大的吞吐量。

3 影響網(wǎng)絡(luò)性能的若干因素

3.1 CPU 的速度比網(wǎng)絡(luò)的速度更重要

我們現(xiàn)今使用的大部分網(wǎng)絡(luò)中，用實際經(jīng)驗長期的結(jié)論，操作系統(tǒng)在傳輸線路上所花的時間往往多于協(xié)議所使用的開銷，換句話說，瓶頸問題多半是由主機引起的，只要加大CPU的速度，數(shù)據(jù)的吞吐量幾乎成倍的增加，而這點想通過網(wǎng)絡(luò)容量加倍的方法幾乎是徒勞的，可見，CPU 的速度比網(wǎng)絡(luò)的速度更重要，

3.2 減少分組數(shù)以便減少軟件開銷

眾所周知，中斷是需要軟件開銷的，而每個分組的到達(dá)都要引起一個中斷，建議在數(shù)據(jù)傳輸之前盡量收集必要的數(shù)據(jù)用來減少傳輸過程中的中斷次數(shù)，減少分組數(shù)有助于減少中斷，從而減少軟件開銷。

3.3 使環(huán)境切換次數(shù)最高

如從內(nèi)核模式到用戶模式稱之為環(huán)境切換(context switch)，此類切換方式非常不利于網(wǎng)絡(luò)性能，通常情況下，他們像中斷一樣帶來不良后果，當(dāng)然最壞的情況還是使大量的緩存沒有命中率。這種做法環(huán)境切換在每個分組都浪費了大量的可貴的CPU 時間，甚至對網(wǎng)絡(luò)性能的影響是致命的，不可恢復(fù)的。

3.4 分組在網(wǎng)絡(luò)中復(fù)制的次數(shù)

網(wǎng)絡(luò)中傳遞的數(shù)據(jù)文件在傳遞過程中需要使用兩次系統(tǒng)調(diào)用:Read/Write，包括如圖1 所示的將接收到的數(shù)據(jù)文件讀到內(nèi)存和把內(nèi)存存儲的數(shù)據(jù)文件讀出并通過Socket 發(fā)送出去的過程。

圖1 數(shù)據(jù)文件復(fù)制過程

上述過程中，由于數(shù)據(jù)文件解析和套接字轉(zhuǎn)發(fā)分別處于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)的用戶空間和內(nèi)核空間。在不同空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時必須進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝操作。一個完整的Read/Write 過程中至少需要進(jìn)行4 次拷貝復(fù)雜操作。而數(shù)據(jù)拷貝是一個非常消耗CPU 和內(nèi)存資源的過程。

3.5 網(wǎng)絡(luò)帶寬與延遲

業(yè)務(wù)占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬可以通過增加付費來加倍提升，但這并不能降低業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸延遲。解決網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)延遲問題，需要改變網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)接口和使用合適的操作系統(tǒng)。

3.6 網(wǎng)絡(luò)擁塞

有句話:“防病勝過治病”這句多年被人們認(rèn)可的格言用在網(wǎng)絡(luò)擁堵方面是非常適用的。一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，很多問題接踵而至，比如分組數(shù)據(jù)丟失、浪費帶寬、沒必要的延遲以及其他問題都會馬上出現(xiàn)。因此，一個有效的手段是盡量避免出現(xiàn)擁塞。由于互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)的普及，IP 組播承載的需要也得到廣泛應(yīng)用。在組播應(yīng)用中，需要在IP 網(wǎng)絡(luò)中建立組播轉(zhuǎn)發(fā)樹，負(fù)責(zé)將端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到各種接收端。這當(dāng)中，轉(zhuǎn)發(fā)樹的分支節(jié)點的協(xié)調(diào)控制對IP 組播網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制具有重要影響。因此，如何基于分支路由器協(xié)調(diào)機制來控制流量擁塞已成為網(wǎng)絡(luò)運營商當(dāng)前迫切需要解決的問題。

3.7 避免使用過多的超時機制。

網(wǎng)絡(luò)中定時器是必不可少的，但是否一定要使用呢?結(jié)論是盡量少用。除此之外定時器還會出現(xiàn)超時，一旦出現(xiàn)超時現(xiàn)象，通常情況下是要重復(fù)某一個動作，如果這個重復(fù)動作是必須的，似乎可以理解，但如果是沒必要的，那這種類似狀況的重復(fù)動作顯然是一種浪費了。

4 一種簡單網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法

目前已有的網(wǎng)絡(luò)性能分析和優(yōu)化解決方案中，很少將網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)成本進(jìn)行統(tǒng)一考慮。面對紛繁復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)，如果以最優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量滿足所有業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求，需要付出昂貴的網(wǎng)絡(luò)成本。從經(jīng)濟角度看，是一個不可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)模式。而且，不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對服務(wù)質(zhì)量的要求是不一樣的，對網(wǎng)絡(luò)成本的支持能力也是不同的。因此，本文提出了一種充分考慮網(wǎng)絡(luò)效益的網(wǎng)絡(luò)性能分析與優(yōu)化解決方案。將網(wǎng)絡(luò)成本需求放到網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)中。方案目標(biāo)是依據(jù)業(yè)務(wù)給定的網(wǎng)絡(luò)成本支付能力，提供服務(wù)質(zhì)量最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)支撐服務(wù)。

通過公式(1)中的參數(shù)改變，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能分析優(yōu)化。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)D=(V，E)，其中V 表示節(jié)點的集合，E 表示鏈路的集合，網(wǎng)絡(luò)D 的成本包括鏈路成本和節(jié)點成本，即:

其中，cos t(link)為鏈路 link 的成本，cos t(node)為node的成本。

5 結(jié)語

針對網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的研究近年來已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但由于未考慮網(wǎng)絡(luò)成本支撐的需求，因而在實際應(yīng)用中未得到普及。在市場化條件下，滿足網(wǎng)絡(luò)成本效益需求的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化，是一種合理的網(wǎng)絡(luò)管道智能化管理方案。

［1］Maya Yajnik，Sue Moon，Jim Kurose. Measurement and-Modeling of the Temporal Dependence in Packet Loss［A］.IEEE INFOCOM［C］. 1999:345 -352.

［2］Lee G，Kwon Y，Cho K，et al. Performance Evaluation of GigabitEthernet Interfaces［C］//Proc. of ICACT’08. Gangwon-Do，Korea:［s. n.］，2008.

［3］熊貴喜，王小虎. 計算機網(wǎng)絡(luò)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2008.